简介:【摘要】本文对高精型孔的加工技术进行阐述,针对高精型孔的技术难点进行简单介绍与剖析,通过工艺分析确定加工方法,并对加工过程中的流程、参数、测量方法进行详细介绍
简介:摘要:针对常规工频大电流传感器产品精度低、测量范围小、非线性、易饱和的问题,提出了使用开合式开环霍尔传感器进行高精度工频大电流测量的设计方法。该方法涉及产品磁芯设计、结构设计、电路设计、抗干扰及数学模型等方面。将其应用于低功耗、小型智能化电网产品开发中,产品精度可提升至 0.2 级。 关键词:精度因素;开合式;模拟补偿;软件补偿;磁芯结构 0 引言 随着国家电网公司提出“泛在物联网”的理念,传统的模拟电量传感器被模拟数字合在一起的智能化传感器取代。主要应用于电压等级为 400v~1000v的用户侧,如电网配电部门低压智能监测以及家用智能电器电量监测。使用开合式开环霍尔传感器是实现结构小型化、简单化、低功耗的最佳选择,但是其特殊结构使得电流精度不高。本文从开环传感器设计的几个关键因素分析了提高其精度的方法,介绍了一种经过一系列补偿的开环霍尔传感器,可以实现:批量生产一致性好,结构小型化、简单化,长期存放和运输条件下不变形;在 -40℃~85℃下以及 0.1A~4000A交流电流测量保持 0.2%精度,消除磁滞回线和铁芯饱和带来精度误差的因素,满足价格低、低功耗,功能一体化的设计要求。 1 开环霍尔传感器原理 当有电流流过霍尔薄片时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,这种现象称为霍尔效应,该电动势称为霍尔电势,半导体薄片称为霍尔元件。 1.1开环霍尔传感器原理 霍尔传感器根据检测原理可划分为开环霍尔传感器和闭环霍尔传感器。开环又称直测式,其工作原理如图 1所示。将霍尔器件安装在开有气隙的软磁环中,原边电流 Ip 产生的磁通量聚集在磁路中,并由霍尔器件检测出霍尔电压信号 VH,电压信号经过放大器放大后精确地反映原边电流大小。根据推导 [3],当 l1/μ1μ0<< l2/μ0 时,霍尔电势 VH 可等效为 (1) 其中: µ1为软磁材料磁导率; l1为磁环长度; l2为气隙长度; N为输入电流穿心匝数。 1.2 开环霍尔传感器优点 针对电网超小型智能化产品,要同时具备工频计量和故障时大电流测量,适用于电磁环境恶劣的安装现场,开环霍尔电流传感器为首选。 首先开环的霍尔电流传感器,原理简单,结构易于处理,由于对安装空间有一定要求,开环能满足安装空间狭小的情况;其次开环原理霍尔电流传感器的耐冲击电流更大,特别是在四十倍的冲击电流也不会对传感器造成损坏 ,当超过测量范围,也不会发生充磁现象;再有开环的功耗,接近于恒定,电流输出型 ,基本保持在 10MA左右 ,可以和 MCU共享电源 ,在对功耗要求比较高的场合只能使用开环 ;最后开环的电流传感,小切口,小尺寸,但是测量电流可以很大,满足对故障时大电流测量的要求。 图 1开环霍尔电流传感器原理 2 影响霍尔传感器精度分析 2.1 开环霍尔传感器精度因素 影响传感器精度的主要因素在于磁芯固定部分,外壳开模要充分考虑安装情况;穿心线位置是开合式开环霍尔传感器误差主要原因,居中安装设计要考虑影响开环霍尔传感器精度的因素主要有 [1]霍尔元件本身精度、寄生直流电势、不等位电势、温度影响及磁干扰等。文献 [2]介绍了不等位电势产生的原因,主要由霍尔器件本身材料、制造材料及结构特点决定。文献 [3]介绍了利用二极管进行霍尔驱动电流补偿。该方法补偿了霍尔器件霍尔电势系数带来的误差,补偿效果主要取决于霍尔器件与半导体器件漂移的一致性。 2.2 开合式开环霍尔传感器精度因素 开合式开环霍尔传感器采用开环或闭环原理设计,影响开合式开环霍尔传感器的主要因素有霍尔器件失调、霍尔器件灵敏度、磁芯材料、温度影响及地磁干扰等。另外,由于开合式原理的特殊结构,磁芯及外壳的综合设计是影响开合式开环霍尔传感器位置及精度误差的另一因素。 3 高精度开合式开环硬件设计 按照上述分析,影响霍尔传感器精度的主要因素有磁芯磁滞误差 (零点误差 )、穿心线位置误差、霍尔器件温度漂移及磁场干扰等。开环霍尔传感器综合考虑以上因素,是能够做到精度为 0.2级。几下面仅以开环开合式霍尔电流传感器设计为例,简单介绍提高其精度的几种方法。 3.1 霍尔器件选择 由公式 (1) 可知,影响霍尔器件灵敏度的主要因素有霍尔材料灵敏度、驱动电流、输入电流及磁芯开口。霍尔传感器材料有 InSb(锑化铟 )、 GaAs(砷化镓 )、两种。锑化铟价格贵但失调漂移小、灵敏度高,砷化镓高灵敏度略低但高稳定性。由于霍尔器件失调导致的输出偏差是影响霍尔传感器零点输出误差及输出漂移的主要原因,其主要表现在直流分量。灵敏度较高的锑化铟霍尔器件在高灵敏度条件下,霍尔器件失调漂移所占比例小 ,但是本文设计产品为工频测量,零点输出误差及输出漂移可以通过数字滤波去除,因此选择砷化镓霍尔传感器,利用其高稳定度和较高灵敏度的特点。 3.2铁芯材料及安装结构 磁芯作为霍尔传感器的主要聚磁器件,直接影响霍尔传感器检测的精度。由式 (1) 可知,为了获得较高的磁感应强度 B,要求磁芯:磁导率 μ1 较高、截面积 S 较大、磁路 l1 短及开口气隙 l2 小。磁芯材料选择高导磁材料,此时磁滞误差最小。当磁芯 l1/μ1( 磁路与磁导率之比 )<< 气隙 l2/μ0,可忽略散磁,减小产品输出位置误差对输出精度的影响。对磁芯结构设计要求配对的磁芯尺寸尽量接近,且安装后相对位置误差小,这是减少输入电流穿心线位置及零点输出误差的主要因数。 开合式开环霍尔传感器所采用的磁芯构如图 2所示,为减小位置误差,铁芯上下半环要求对称,使得铁芯的切口面完全契合,不产生错位;为适于大电流测量且易于饱和补偿,要求切口距离为合适,按照图 3(1)的 B-H曲线中的 A曲线的形状选择。图 2开合式开环磁芯结构尺寸为实际验证后的铁芯尺寸,该尺寸可以适用于交流 4000A的高精度测量。 图 2开合式开环磁芯结构 3.3线路板设计 文献 [4]介绍了辐射对半导体磁敏器件性能影响的研究,文中提出对霍尔器件进行辐射会不同程度地影响器件电磁性能。为了减少传感器测试干扰误差,需减少干扰对产品的影响。产品设计需考虑: 1) PCB 设计避免回路走线; 2) 考虑适当屏蔽、接地及滤波技术; 3) 减少传感器内部引线长度; 4) 适当增加 EMC 防护技术等。 4 高精度开合式开环软件设计 4.1 铁磁起始磁化及原付边电流曲线 铁磁性物质从磁感应强度 B=0、磁场强度 H=0开始磁化,所绘制出的 B-H曲线为起始磁化曲线,如图 3(1)曲线 A所示。 oa段,随着 H的增大, B急剧增大 ,ab段,若 H继续增大 ,B的增大减慢 ,饱和段 ,b点以后,再增大 H, B增大得很小,曲线上的 a点、 b点称为膝点、饱和点。 通过铁磁起始磁化曲线可以得到对应的原付边电流曲线如图 3(2)所示,图中 C为实测原付边电流曲线,其中 O1段为微小电流; 12段为小电流,非线性曲线; 23段为中等电流,线性曲线; 34段为大电流,欠饱和曲线, 45段为饱和曲线。 4对应膝点, 5对应饱和点。 图 3铁磁起始磁化及电流曲线 4.2低电流线性补偿曲线 图 3(2)曲线 B为近似曲线 C的虚拟直线,设其方程式为 y=kx,在曲线 C12段,简化为一条与虚拟直线相同斜率的直线 y=kx+b,其中 b为偏移量,对于特定的铁芯和结构, b是常数。 (2) 4.3饱和电流一元二次补偿曲线 图 3(2)曲线 C34段为欠饱和段,为计算方便,采用一元二次拟合曲线 (3) 图 3(2)曲线 C和 D为以 3为原点的双曲线,公式中 a、 b、 c为拟合曲线的一元二次方程系数,为常量, x为原边电流, y为付边电流。 根据测量的付边电流,代入 (3),可得校准后的实际原边电流。 4.4 设计案例 表 1:实测电流数据 Measured current data 原边通入直流 (A) 正向电压值 (V) 负向电压值 (V) 5000 2.86 0.445 5100 2.884 0.417 5200 2.908 0.394 5300 2.929 0.372 5400 2.949 0.353 5500 2.966 0.337 5600 2.979 0.322 5700 2.991 0.312 5800 3.002 0.301 5900 3.013 0.292 6000 3.022 0.281 由表 1知 5300A为膝点, 6000A为饱和点,根据在原边通过的正向和反向直流,得到正向和反向模拟输出电压值,按照公式 (3)用 matlab拟合出该曲线,再转化为采样离散值,对应的 a=0.000076314,b=0.152,c=7.4562。这样在每次采样到电流数值后,按照公式 (3)代入 a,b,c,直接得到原边实际电流值。 5结束语 笔者从霍尔传感器开合式开环原理入手,论述了影响测试精度的多种可能因素,并从实际的高精度开合式开环霍尔传感器设计着手,介绍了提高其精度的几种软硬件方法。最终将该系列设计方法应用到实际的产品开发过程中,使产品精度到达 0.2%,且一致性好。际的产品设计需结合产品的应用环境综合考虑,以开发出满足用户需求的具有高精度及高稳定性的产品。 参考文献 [1]程序 ,唐志国 ,李成榕 . 特高频传感器结构参数对其幅频特性的影响 [J].电网技术 2006.doi:10.3321/j.issn:1000-3673.2006.15.005 [2] 劳力云 . 四端霍尔元件的等效电路模型及其参数推导 [J]. 中国计量学院学报 , 1994, 7(1): 111-115. [3]罗志强 , 阳桂蓉 , 王进 . 霍尔传感器温度补偿电路设计 [J]. 兵工自动化 , 2014, 33(10): 87-88. [4]王军 . 辐射对半导体磁敏器件性能影响的研究 [D]. 青岛 : 中国石油大学 , 2007: 50-84.
简介:[摘要 ]如何高精度给定施工钻孔方位及打钻倾角 ,利用小闭合法、全站仪现场平距定位、 开孔终孔坐标反算、提前现场高精度数据复测、利用实测数据 CAD制图设计等多 种方法联合 ,以确保施工钻孔的定点穿透 ,提高钻孔对通风、水体的疏放应用效果。
简介:摘要:预埋件的设计计算应遵守“混凝土结构设计规范”的规定。预埋件应经设计计算使之符合受力要求 ,构造必须合理。在土建工程施工中 ,预埋件是结构连接的一个重要部分,它属于隐蔽工程, 所以 预埋件的设计及构造应充分重视。
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简介:【摘要】伴随着现代科学技术的优质快速持续发展,无人机遥感技术的实际应用范围正在逐渐扩展,客观上支持我国多个行业领域在测量技术活动开展过程中获取了充足便利条件。在无人机遥感技术的引入运用过程中,做好测量数据的处理工作,能确保无人机遥感技术发挥良好应用价值。本文围绕无人机遥感影像处理技术与高精度的实现,展开简要的阐释分析。
简介: 摘要:近十多年来,由于电力电子制造技术和变流技术的突破与发展,同时电力电子设备的工作可靠性得到了很大的提高,在电力系统中得到了广泛的应用,一方面它提高了我们的生产效率,改善了我们的生活,另一方面大量的非线性电力电子设备的使用将会产生大量的谐波,轻则降低设备的运行效率,严重时将损坏设备。因此,分析谐波产生的原因,采取消除谐波的措施,减轻谐波的危害具有重要的实际意义。 关键词:谐波 ; 危害 ; 治理 一、电力系统中谐波的危害 1. 对供配电线路的危害 1.1 影响线路的稳定运行 供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护,使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对 10% 以下含量高达 40% 时又导致继电保护误动作,因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点,但由于采用了整流取样电路,容易受谐波影响,产生误动或拒动。这样,谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 1.2 影响电网的质量 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线,由于荧光灯、调光灯、计算机等负载,会产生大量的奇次谐波,其中 3 次谐波的含量较多,可达 40% ;三相配电线路中,相线上的 3 的整数倍谐波在中性线上会叠加,使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外,相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率,从而降低电网电压,浪费电网的容量。 2. 对电力设备的危害 2.1 对电力电容器的危害 当电网存在谐波时,投入电容器后其端电压增大,通过电容器的电流增加得更大,使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器,虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的 1.38 倍 ; 对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的 1.43 倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值,使电容器异常发热,在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时,还可能使电网的谐波加剧,即产生谐波扩大现象。另外,谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形,尖顶电压波易在介质中诱发局部放电,且由于电压变化率大,局部放电强度大,对绝缘介质更能起到加速老化的作用,从而缩短电容器的使用寿命。一般来说,电压每升高 10% ,电容器的寿命就要缩短 1/2 左右。再者,在谐波严重的情况下,还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。 2.2 对电力变压器的危害 谐波使变压器的铜耗增大,其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大,这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加,谐波使电压的波形变得越差,则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加,因此要减少变压器的实际使用容量,或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外,谐波还导致变压器噪声增大,变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的,随着谐波次数的增加,振动频率在 1KHZ 左右的成分使混杂噪声增加,有时还发出金属声。 2.3 对电动机的危害 谐波对异步电动机的影响,主要是增加电动机的附加损耗,降低效率,严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场,形成与电动机旋转方向相反的转矩,起制动作用,从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流,当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动,发出很大的噪声。 2.4 对低压开关设备的危害 对于配电用断路器来说,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难,且谐波次数越高影响越大;热磁型的断路器,由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器,谐波也要使其额定电流降低,尤其是检测峰值的电子断路器,额定电流降低得更多。由此可知,上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。 二、谐波治理的方法 1. 无源滤波器 无源滤波器由于结构简单,经济,并且运行经验丰富而得到了广泛的使用。常用的无源滤波器由主要由电容器和电抗器串联或并联而成,并调谐在某个需要的频率上。无源滤波器在其调谐频率处阻抗理论上为零,因此可以滤除掉谐波。 实践证明,在电力系统中根据谐波的具体情况安装消除相应频率的无源谐波滤除装置能有效地减小此特定频率的谐波。按接入系统的方式不同分两类,并联接入系统的为并联型无源滤波器,串联接入系统的为串联型无源滤波器。 1.1 并联型无源滤波器 在实际工程中,无源并联滤波器往往兼有无功补偿和改善功率因数的双重功能,一般是先计算需要补偿无功的容量,再来确定相应电抗器的容量,一般采用基波时电抗器占电容器补偿容量的百分数表示。为了能在限制谐波电流的同时不发生谐振,在工程中需选择电抗器和电容器的参数使之偏离各次谐波的谐振点,如为了滤除 5 次和 3 次谐波,在高压供配电系统中,电抗器容量 SL 和电容器容量 SC 比常选择为 5% 和 12% ,而在低压配电系统中,电抗器容量 SL 和电容器容量 SC 比常选择为 7% 和 14% 。 除了常用的单调谐滤波器外,还有双调谐滤波器,其结构如图 1-b 所示,由电路理论知识我们知道它具有两个谐振频率,能同时吸收两个不同频率的谐波,其滤波效果相当于两个单调谐滤波器。双调谐滤波器的优点是基波损耗小,但结构复杂,调谐困难,故很少采用。 1.2 串联型无源滤波器 串联型无源滤波器一般由电容器与电抗器串联构成,并且串联连接在电源与负荷之间。其工作原理是使滤波器中串联的电容和电感谐振点为工频频率,当将其串联在电源与负荷之间时,由于对工频阻抗很小,但对谐波的阻抗却很大,这样工频电流可以正常通过,但会阻碍谐波电流的流动,当谐波的频率偏离得越多,对该次谐波的阻抗也越大,滤除效果也越好。串联型无源滤波器最大的特点是只需要用一个滤波器就能够消除掉所有的谐波。 由于串联型无源滤波器串联在电路主回路中,当滤波器故障时会影响供电的可靠性,必要的时候可增加旁路回路以提高供电可靠性。 2. 有源滤波器 近年来发展起来的有源滤波器是一种由电力电子器件构成的谐波滤除装置、其通过检测回路中的谐波电流,控制电力电子器件即时产生一个电流注入到系统中,此电流大小与谐波的电流大小完全相等,但方向相反,于是消除了相应的谐波,达到了滤除谐波的目的,有源滤波器能够同时对不同大小和频率的谐波进行快速的跟踪滤除。之所以称为有源,是相对于无源 LC 滤波器只能被动吸收固定频率的谐波而言,有源滤波器通过检测回路中负载电流,通过计算进行各次谐波的分离,控制并输出一个电流,抵销负载中的谐波电流,实现实时动态跟踪补偿,有源滤波器在滤除谐波的同时还可补偿无功和三相的不平衡。 有源滤波器谐波治理效果比无源滤波器更好,理论上一台装置就可以滤除所有谐波,并且不会引起系统谐振等问题,但是现阶段造价相对较高。 参考文献 [1] 电能质量 - 公用电网谐波 .GB/T14549-1993[J]. [2] 蒋平,邓俊雄,曹莹 . 一种先进的电网谐波检测方法 [J]. 电工技术学报 .2000.(06) [3] 陈伟华 . 电磁兼容实用手册 . 北京:机械工业出版社 .1998. [4] 吕润馀 . 电力系统高次谐波 .[M]. 北京:中国电力出版社 .1998.